System modułowy sprzęgów - część centralna

W dzisiejszym artykule przedstawimy część centralną sprzęgu, jako drugi z modułów podstawowych (link do poprzedniego artykułu).

Główną funkcją części centralnej sprzęgu jest połączenie głowicy i wspornika mocującego. Zastosowanie łącznika w postaci rury o odpowiedniej długości, mocowanej za pomocą połączeń kołnierzowych, definiuje długość sprzęgu zgodnie z wymaganiami klienta.

Powszechnie, ze względu na zwiększenie bezpieczeństwa pasażerów i taboru, w części centralnej sprzęgu stosowane są elementy pochłaniające energię, zarówno w sposób odwracalny, jak i poprzez trwałą deformację.



Do elementów pochłaniających energię kinetyczną w części centralnej zaliczamy:
- amortyzator gazowo-hydrauliczny jednokierunkowy (SAD – Single Acting Damper),
- amortyzator gazowo-hydrauliczny dwukierunkowy (DAD – Double Acting Damper),
- amortyzator gazowo-hydrauliczny ze sprężynami pierścieniowymi,
- amortyzator ze sprężynami pierścieniowymi,
- rurę deformacyjną.
 
Część centralna z odwracalnym pochłanianiem energii

Pierwsza grupa amortyzatorów jest wykorzystywana do pochłaniania energii w sposób odwracalny i przenoszenia obciążeń w codziennej eksploatacji pojazdu, czyli gdy sprzęg poddany jest działaniu sił podczas procesów sprzęgania, przyspieszania lub hamowania.

W zależności od przeznaczenia sprzęgów dla konkretnych typów pojazdów amortyzatory zostały opracowane w trzech rozmiarach (odpowiednio – obciążenia ściskające/rozciągające: 1500/1000 kN; 1250/850 kN; 400/400 kN). W ramach modularyzacji komponentów części centralnej sprzęgu zdefiniowano standardowe zakresy skoków amortyzatorów, co znacząco wpłynęło na optymalizację czasu ich projektowania i wytwarzania, a także standaryzację części i podzespołów.

Zasada działania amortyzatorów gazowo-hydraulicznych oparta jest na wykorzystaniu dwóch komór z olejem, podzielonych zaworem regulacyjnym odpowiedzialnym za charakterystykę amortyzatora. Dodatkowo jedna z nich jest przedzielona ruchomym zaworem separującym, oddzielającym ją od komory ze sprężonym gazem.

Podczas ściskania amortyzatora olej przepływa pomiędzy komorami, co powoduje zmniejszenie objętości oleju w jednej z nich, przy jednoczesnym zwiększeniu objętości oleju w drugiej.

Wzrost objętości oleju w drugiej komorze powoduje przesunięcie zaworu separującego, na skutek czego następuje zmniejszenie objętości komory z gazem, co jest kompensowane wzrostem ciśnienia gazu. Po zdjęciu obciążenia z amortyzatora, rozprężający się gaz powoduje cofanie się zaworu separującego, co wymusza przepływ oleju zaworem powrotnym do pierwszej komory.

Charakterystyka amortyzatorów gazowo-hydraulicznych definiowana jest przez odpowiedni profil iglicy umieszczonej w pierwszej komorze, która wchodząc w otwór o stałej średnicy znajdujący się w zaworze regulacyjnym, reguluje przepływ oleju pomiędzy dwiema komorami olejowymi. Odpowiednio kształtując charakterystykę amortyzatora, możemy osiągnąć maksymalne wykorzystanie potencjału tego urządzenia do pochłaniania energii dla żądanej konfiguracji pojazdu (liczba członów lub wagonów, ich masy, konieczność uwzględnienia trakcji wielokrotnej itp.), a także przy zadanych parametrach wynikających z wymagań klienta (prędkość sprzęgania, współczynnik tarcia kół o szyny, holowanie pojazdów z uwzględnieniem nachylenie toru itp.).

Definiowanie optymalnej charakterystyki amortyzatora przeprowadza się na podstawie symulacji procesów sprzęgania i holowania przy wykorzystaniu autorskiego oprogramowania DCEM (Dellner Crash Energy Management).

Opatentowany przez firmę Dellner dwukierunkowy amortyzator gazowo-hydrauliczny (DAD – Double Acting Damper) pochłania energię nie tylko przy obciążeniach ściskających sprzęg, ale również podczas szybkiego powrotu (dynamicznego rozciągania amortyzatora) do pozycji spoczynkowej, co zapobiega zjawisku „wyrywania”, mogącemu doprowadzić do rozerwania sprzęgu. 
 

 

Poza amortyzatorami typu DAD w ofercie znajdują się również amortyzatory jednokierunkowego pochłaniania energii (SAD – Single Acting Damper), tj. tylko przy obciążeniach ściskających. Ze względu na ograniczony zakres pochłaniania energii przy szybkim rozprężaniu amortyzatora, zastosowanie tych modułów wymaga innego kształtowania charakterystyki oraz dodatkowych symulacji, głównie dotyczących holowania awaryjnego.

SAD-Single Acting Damper- zasada działania jednokierunkowego amortyzatora gazowo-hydraulicznego

Trzecim typem amortyzatorów, które należą do modułu części centralnej, są amortyzatory gazowo-hydrauliczne zintegrowane z pakietem sprężyn pierścieniowych. W rozwiązaniu tym wykorzystuje się klasyczny amortyzator jednokierunkowego pochłaniania energii, zintegrowany z pakietem sprężyn pierścieniowych. Działanie takiego amortyzatora przy ściskaniu jest takie samo jak w przypadku dwóch opisanych wcześniej. Natomiast, poprzez zastosowanie pakietu sprężyn pierścieniowych, amortyzator umożliwia dodatkowy skok i pochłanianie energii przy wystąpieniu obciążeń rozciągających.



Amortyzator za sprężynami pierścieniowymi

Następnym rodzajem amortyzatorów wykorzystywanych w części centralnej sprzęgu jest amortyzator ze sprężynami pierścieniowymi. Działanie tego modułu oparte jest na wykorzystaniu pakietu sprężyn pierścieniowych ciernych (par pierścieni), które pochłaniają energię zarówno podczas ściskania, jak i rozciągania amortyzatora. Wyróżniającymi cechami tego typu urządzeń są: liniowa charakterystyka niezależna od prędkości obciążenia, symetryczny skok amortyzatora przy ściskaniu i rozciąganiu oraz charakterystyka niezależna od temperatury.

Należy zwrócić uwagę, że ze względów geometrycznych zakres pochłaniania energii amortyzatora jest ograniczony przez możliwość jego zabudowy w części centralnej sprzęgu. Wynika to z konieczności zastosowania odpowiedniej liczby par pierścieni do osiągnięcia założonego skoku.

Liczba ta określa całkowity skok amortyzatora, natomiast średnica części centralnej determinuje maksymalny rozmiar pierścieni, od którego zależy maksymalna wartość siły.


Rura deformacyjna

Rura deformacyjna jest elementem pochłaniającym energię poprzez trwałe odkształcenie. W przeciwieństwie do amortyzatora jest produktem jednorazowego działania i po aktywacji wymaga wymiany. Pełni ważną rolę w systemach bezpieczeństwa biernego, jakie stosowane są na pojazdach w celu ograniczenia skutków zderzenia lub kolizji. Energia zderzenia pochłonięta w procesie przetłaczania rury deformacyjnej nie zostanie przeniesiona na konstrukcję pojazdu, co w efekcie zwiększy bezpieczeństwo pasażerów.

Konstrukcja rury deformacyjnej, będącej częścią systemu modułowego, została zoptymalizowana w celu zminimalizowania ilości modyfikacji, wynikających z konieczności dostosowania do zadanego poziomu siły. Nominalna siła deformacji definiowana jest podczas symulacji komputerowej zderzeń według odpowiednich standardów (np. EN 15227 lub GOST 32410). Podczas tych symulacji poszukiwane są najkorzystniejsze charakterystyki elementów deformacyjnych dla danej konfiguracji. W przypadku pojazdu, gdzie zastosowano sprzęgi czołowe i międzywagonowe z elementami pochłaniającymi energię, optymalizacja systemu wymaga przeprowadzenia wielu szczegółowych analiz. Rury deformacyjne do każdego pojazdu są dobierane indywidualnie, a ich parametry są weryfikowane na podstawie testów, przed rozpoczęciem produkcji seryjnej.

Na rysunku poniżej przedstawiono rurę deformacyjną.




Część centralna w sprzęgach składanych


Część centralna odgrywa nie tylko rolę łącznika, ale jak wspomniano, może także stanowić istotny element systemu pochłaniania energii. Dzięki swojej modułowej budowie pozwala na łatwe dostosowanie konstrukcji i charakterystyki sprzęgu do wymagań klienta.

Optymalizacja parametrów części centralnej wymaga specjalistycznej wiedzy oraz dedykowanego oprogramowania. Dellner posiada wieloletnie doświadczenie w tym zakresie, od lat projektując i produkując systemy łączące pociągi, które zapewniają bezpieczeństwo pasażerów i taboru.

W następnym artykule przedstawimy Państwu kolejną część systemu modułowego sprzęgu, jakim jest wspornik mocujący.